CC BY
39
Дисперсно-армированные бетоны на основе базальтового волокна
Е.Е. Ибе, Г.Н. Шибаева, Н.А. Артемьев, А.А. Миколайчик
Хакасский технический институт - филиал ФГАОУВО «Сибирский федеральный
университет», Россия, Абакан
Аннотация: Согласно современным нормативным требованиям, Республика Хакасия характеризуется высокой сейсмичностью, в связи с чем к зданиям и сооружениям предъявляются высокие требования по надежности и безопасности в соответствии с СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах». При проектировании необходимо значительное снижение или исключение вероятности аварийной ситуации, обеспечение необходимого запаса прочности и долговечности зданий. Добиться такого многостороннего эффекта можно, в том числе за счет внедрения технологий строительства с использованием фибробетонов.
Опыт российских и зарубежных исследователей показывает, что применение фибробетона в различных конструкциях позволяет добиться более высокой прочности на растяжение и разрыв, отсутствия усадки и устойчивости к трещинообразованию, а также высокой ударопрочности и пластичности. В связи с этим, исследование возможности применения фибробетонов в условиях Республики Хакасия является актуальным.
Целью данной работы является исследование конструкций с применением фибробетона на основе базальтовой фибры, обладающего повышенной прочностью, а также анализ напряженно-деформированного состояния моделей различных конструкций.
В статье приведены результаты определения оптимального процента армирования бетонов базальтовой фиброй на основе исследования кинетики изменения прочности при сжатии и изгибе. В работе приведены зависимости изменения прочности и усадочных деформаций от процента армирования. Показано, что наилучшими показателями характеризуются бетоны с содержанием 2% фибры. Отмечено, что не всегда увеличение процента армирования фиброй приводит к повышению прочности в связи с неравномерным распределением фибры по объему.
Авторами исследовано напряженно-деформированное состояние изгибаемых элементов (плиты, балки) на основе фибробетонов. Показано, что при использовании базальтовой фибры наблюдается снижение процента армирования рабочей арматурой железобетонных элементов от 26 до 57%.
Ключевые слова: Фибробетон, базальтовая фибра, процент армирования, изгибаемый элемент, усадка, деформация, НДС, прочность при сжатии, прочность при изгибе, экономия стали.
Введение
Начиная со второй половины XX столетия, широкое распространение получила новая разновидность железобетона - дисперсно-армированный бетон (фибробетон), роль дисперсной арматуры в котором выполняют короткие волокна (фибра).
Фибробетон - разновидность бетона, в котором достаточно равномерно распределена фибра в качестве армирующего материала. Фибра - микроарматура, равномерно армирующая бетон во всех плоскостях, повышающая класс бетона, прочность, ударостойкость и снижает образование усадочных трещин.
На основании данных [1-3] были выявлены основные свойства и показатели различных видов фибровых волокон, нашедших применение в строительстве. Результаты этих исследований представлены в таблице 1.
Как видим из таблицы, базальтовое волокно характеризуется высокими показателями прочности при растяжении и невысоким удлинением при разрыве, что позволяет оценить его как качественный компонент для фибробетонов для изгибаемых и растягиваемых элементов. Также данный материал является распространенным в Республике Хакасия.
На основании теоретических исследований фибробетонов выявлено, что благодаря таким характеристикам, как повышенная прочность, коррозионная стойкость, повышенная морозостойкость, стойкость к истиранию, устойчивость к трещинообразованию и т.д. фибробетон возможно эффективно использовать в различных конструкциях, в том числе гидротехнических [4].
Авторы [5] оптимизировали составы фибробетонов для применения в центрифугированных конструкциях для снижения возможности хрупкого разрушения.
Таблица № 1
Свойства различных видов волокон для изготовления фибры
Волокно Плотность, г/см3 Прочность на растяжение, МПа по данным Модуль упругости, МПа Удлинение при разрыве, %
[1] [2] [3] [1] [2] [3]
Акриловое 1,10 210420 — — 2100-2150 25-45 — —
Полипропиленовое 0,90 400700 400770 200500 3500-8000 10-25 10-25 15-50
Полиэтиленовое 0,95 600720 — — 1400-4200 10-12 — —
Вискозное 1,20 660700 660700 — 5600-5800 14-16 14-16 —
Полиамидное 0,9 720750 720900 — 1900-5000 24-25 5-20 —
Нейлоновое 1,1 770840 700840 300700 4200-4500 16-20 16-20 5-70
Стальное 7,80 6003150 5001500 6003100 190000210 000 3-4 2-6 1,5
Асбестовое 2,60 9103100 — — 6800070 000 0,6-0,7 — —
Карбоновое 1,63 12004000 12004000 — 280000380 000 2-2,2 2-2,2 —
Базальтовое 2,60 16003200 16003200 — 700013 000 1,4-3,6 1,4-3,6 —
Стеклянное 2,6 18003850 18003900 15002100 7000-8000 1,5-3,5 1,5-3,5 3
Углеродное 2,0 20003500 25004000 25003800 200000700 000 1-1,6 1-1,6 0,5
Авторами [6, 7] показана эффективность полидисперсного армирования бетонов стальной фиброй, что позволяет повысить их прочностные и деформативные характеристики. В работах [8, 9] показано, что наименьший процент армирования стальной фиброй составляет 0,5%.
Авторы [10, 11] отмечают эффективность использования полипропиленового и углеродного волокна, в том числе для мелкозернистых бетонов.
Авторами [12] предлагается инновационная технология армирования бетонов стальной фиброй совместно с кокосовым волокном, что существенно повышает деформативные характеристики бетонов.
Также имеется множество результатов, показывающих целесообразность применения конструкций на основе фибробетонов, работающих в условиях повышенных температур [13, 14]. Опыт российских и зарубежных исследователей показывает, что применение фибробетона в различных конструкциях позволяет добиться более высокой прочности на растяжение и разрыв, отсутствия усадки и устойчивости к трещинообразованию, а также высокой ударопрочности и пластичности. В связи с этим, исследование возможности применения фибробетонов в условиях Республики Хакасия является актуальным.
При этом выявлено, что большинство результатов научных исследований в области фибробетонов имеют несогласованность с точки зрения полученных зависимостей. Также весьма актуальным является обоснование экономической эффективности использования фибробетонов путём анализа напряженно-деформированного состояния конструкций на основе фибробетонов.
Целью данной работы является исследование конструкций с применением фибробетона на основе базальтовой фибры, обладающего повышенной прочностью, а также анализ напряженно-деформированного состояния моделей различных конструкций с целью определения экономической эффективности.
В работе проведены исследования свойств фибробетонов на основе базальтового волокна для определения оптимального процента армирования фибробетонов, а также рассчитана эффективность экономии расхода арматуры в изгибаемых элементах.
Методика проведения исследований
Для обоснования целесообразности применения фибробетона, в лаборатории строительных материалов кафедры «Строительство» Хакасского Технического Института - филиала СФУ были проведены экспериментальные исследования. Были определены физико-механические свойства материалов, а также строительно-технические свойства фибробетонов.
Физико-технические свойства фибробетона определялись в соответствии с требованиями следующих стандартов:
- предел прочности на сжатие - ГОСТ 10180-2012;
- прочность на изгиб - ГОСТ 10180-2012;
- средняя плотность - ГОСТ 12730.1-78;
- усадка при высыхании - ГОСТ 25485-89;
Для изучения прочностных свойств фибробетона изготавливались образцы - кубики 10х10х10см, а также образцы балочки 4х4х16см. Образцы твердели в нормальных условиях.
Предел прочности при сжатии определялся на лабораторном прессе П-125, предел прочности при изгибе - на приборе МИИ-100.
М Инженерный вестник Дона, №1 (2015) ivdon.ru/ru/magazine/archive/nly2015/XXXX
Исследование влияния рецептурно-технологических факторов на
свойства фибробетонов
Результаты испытаний показали зависимость прочности при сжатии и изгибе от водоцементного отношения и процента армирования базальтовой и стальной фибры. Зависимости фибробетона с базальтовым волокном представлены на рисунках 1, 2.
3D Surface Plot (SpreadsheeO 3v"9c) Прочность при сжатии МПа = Distance Weighted Least Squares
Рис. 1. - Зависимость прочности при сжатии фибробетона с базальтовой фиброй от водоцементного отношения и процента армирования
По графику можно сделать вывод о том, что прочность при сжатии повышается с понижением водоцементного отношения. Наибольшая прочность достигается при 1-2% армирования базальтовой фиброй, однако дальнейшее увеличение процента армирования приводит к снижению прочности. Прочность при сжатии при В/Ц=0,4 с процентом армирования 1% повышается по сравнению с образцом с 3% армирования на 38%, с 0,5% армирования - на 4%. Прочность при сжатии при проценте армирования базальтовой фиброй 1%, с В/Ц=0,4 увеличивается по сравнению с В/Ц=0,45 на 44%, с В/Ц=0,5 - на 36%.
3D Surface Plot (SpreadsheeM 3v"9c) Прочность при мгзибе МПа = Spline
7 66
Рис.2. - Зависимость прочности при изгибе фибробетона с базальтовой фиброй от водоцементного отношения и процента армирования
В данном случае прочность при изгибе также увеличивается при снижении В/Ц. Наибольшая прочность при изгибе у образцов с процентом армирования от 0,5% до 1% и В/Ц=0,4. При увеличении В/Ц отношения с 0,4 до 0,5 прочность при изгибе падает на 5-20%.
Зависимости фибробетона со стальной фиброй представлены в таблице
2.
Таблица № 2
Результаты исследования фибробетонов со стальной фиброй
№ состава Прочность при сжатии, МПа Прочность при изгибе, МПа
1 (0,5%, В/Ц=0,5) 18,4 5,86
2 (1%, В/Ц=0,5) 19,76 7,03
3 (0,5%, В/Ц=0,4) 23,93 6,09
4 (1%, В/Ц=0,4) 25,38 7,26
Наибольшая прочность при сжатии достигается при армировании бетона стальной фиброй 1% при В/Ц=0,4. При этом прочность повышается по сравнению с бетоном со стальной фиброй 0,5% на 6%, а по сравнению с В/Ц=0,5 - на 22%.
Усадочные деформации были определены на приборе для измерения усадки с индикатором часового типа, который был изготовлен самостоятельно в лаборатории строительных материалов. Прибор представлен на рисунке 3.
Рис.3. - Установка для измерения усадки с индикатором часового типа
Линейные деформации базальтофибробетона представлены на рисунке 4. Из графика видно, что на усадочные деформации В/Ц отношение практически не влияет, но с увеличением процента армирования усадочные деформации уменьшаются.
и
Рис.4. - Усадочные деформации базальтофибробетона
Исследование НДС изгибаемых элементов
Для обоснования возможности применения фибробетона в различных строительных конструкциях, а также эффективности и целесообразности его применения с частичной заменой арматуры, произведем расчет изгибаемых элементов в программном комплексе ЛИРА-САПР и SCAD Office. Для расчета возьмем монолитную плиту и балку прямоугольного сечения.
Результаты расчета фибробетонной плиты приведены на рисунках 5-11.
Рис.5. - Изополя напряжений по оси Z фибробетонной плиты
Из расчета видно, что перемещения по оси Ъ фибробетонной монолитной плиты уменьшились на 32% по сравнению с обычной бетонной плитой.
Рис.6. - Напряжения во внутреннем слое фибробетонной плиты
Напряжения во внутреннем слое бетонной плиты больше внутренних напряжений фибробетонной плиты на 33%.
Рис.7. - Напряжения во внешнем слое фибробетонной плиты
За счет более высокого модуля упругости фибробетона и большей прочности на сжатие и растяжение, во внешнем слое плиты возникают напряжения меньше на 17%.
Рис.8. - Подбор нижней арматуры по Х (фибробетонная плита)
Овч о-:
□ 111 «и
□ ли а»
Рис.9. - Подбор верхней арматуры по Х (фибробетонная плита)
•А»—
он о'з 011 011 он о« • II он 61« о» 01* он 019 02
а; оп
а» ок о» о»
Рис.10. - Подбор нижней арматуры по У (фибробетонная плита)
1 '¿Г ^^^
л ■ал ' " '
г ш а?
«■00» 011 ^^^^^^^ «■он 013
«□01Г он
«□01« ^^^^^^^^ •»Оо:
ОД 09
«■о* 0> ^
^■0) ос ~ 1 '
1Я»в в» I ^^^^
Рис. 11. - Подбор верхней арматуры по У (фибробетонная плита)
Из рисунков подбора арматуры по осям х и у, верхней и нижней арматуры, видно, что благодаря фибробетону убирается часть арматуры и уменьшается ее площадь поперечного сечения. Так нижняя арматура по оси Х сокращается на 38%, верхняя по Х - на 48%, нижняя по У - на 47%, верхняя по У - на 46%. В общем арматура в фибробетонной плите сократилась на 44,75%, практически в 2 раза.
Результаты расчета бетонной и фибробетонной балки представлены на рисунках 12, 13.
л{
Рис.12. - Перемещения в фибробетонной балке по оси Ъ
Максимальные перемещения в фибробетонной балке сократились на
34%.
■ ■к1 №
Рис.13. - Отображение главных и эквивалентных напряжений фибробетонной балки <тг
Нормальные напряжения (тг в сжатой зоне сократились на 61%, а в растянутой - на 2%.
Сравнивая результаты армирования бетонной балки с результатами армирования фибробетонной балки, можно сделать вывод о том, что благодаря фибре происходит сокращение площади нижней арматуры с А5 = 10,05см2 до Ав = 7,47см2, что составляет 26%.
Выводы
Из проведенной работы можно сделать следующие выводы:
1. Оптимальный процент армирования базальтовой фибры 1%, с В/Ц = 0,4, стальной фибры также 1% с В/Ц=0,4.
2. При сейсмическом воздействии, что очень актуально в нашем регионе, могут увеличиваться растягивающие напряжения, вследствие чего образуются потенциальные трещины, которые в дальнейшем могут привести к разрушению. Благодаря снижению главных и эквивалентных напряжений фибробетон способен обеспечить безопасную эксплуатацию и долговечность конструкций.
3. Сокращение армирования различных конструкций благодаря добавлению фибры: в плите сокращение площади поперечного сечения арматуры составляет - 45%; в балке - 26%; в колонне - 41%; в ж/б каркасе -57%.
С учетом стоимости фибры экономия в денежном эквиваленте на армирование и трудоемкость арматурных работ составляет: для плиты - 11%; для балки - 7%; для колонны - 10%, для ж/б каркаса - 14%.
Литература
1. Бабков В. В. и др. Применение арочных сталефибробетонных малопролетных строений в конструкциях засыпных мостов и возможности их усиления //Строительные материалы. - 2014. - №. 1-2. - С. 75-79.
2. Войлоков И. А. Сталефибробетон в слоях износа покрытий промышленных полов //Промышленное и гражданское строительство. -2010. - №. 9. - С. 58-58.
3. Гербер Д.В. Исследование влияния наномодифицированных волокон на свойства композиционных материалов с цементной матрицей // Успехи в химии и химической технологии. Том XXV №6 (122) - Москва. - 2011. - с. 22-25.
4. Ибе Е. Е., Шугурова А. В. Перспективы применения фибробетона при строительстве гидротехнических сооружений // Вестник евразийской науки. - 2017. - Т. 9. - №. 1 (38). URL: naukovedenie.ru/PDF/61TVN117.pdf
5. Нажуев М.П., Халюшев А.К., Ткач П.С., Ефимов И.И., Санин И.С., Курбанов Н.С., Орлов М.Г. Эффективность применения различных видов фибры и крупного заполнителя в виброцентрифугированных бетонах // Вестник евразийской науки. - 2020. - Т. 12. - №. 2. URL: esj.today/PDF/45SAVN220.pdf
6. Пухаренко Ю. В. и др. Прочность и деформативность полиармированного фибробетона с применением аморфной металлической фибры //Academia. Архитектура и строительство. - 2016. - №. 1. - C. 107111.
7. Пухаренко Ю. В. и др. Диаграммы деформирования цементных композитов, армированных стальной проволочной фиброй //Academia. Архитектура и строительство. - 2018. - №. 2. - С. 143-147.
8. Талантова К. В., Михеев Н. М. Исследование влияния свойств стальных фибр на эксплуатационные характеристики сталефибробетонных конструкций // Ползуновский вестник. - 2011. - №. 1. - С. 194-199.
9. Клюев С. В. и др. Тяжелонагруженные полы на основе мелкозернистых фибробетонов //Инженерно-строительный журнал. - 2013. -№. 3. - С. 7-14.
10. Голова Т. А., Андреева Н. В., Жуков А. Д. Фибробетон на основе углеродного волокна для строительства // Colloquium-journal. -Голопристанський мюькрайонний центр зайнятост^ 2019. - №. 9 (33). - С. 14-16.
11. Казлитина О.В. Фибробетон для монолитного строительства: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Белгород. - 2013. - 23с.
12. Das S. et al. Effects of incorporating hybrid fibres on rheological and mechanical properties of fibre reinforced concrete //Construction and Building Materials. - 2020. - Т. 262. - p. 120561.
13. Wu H., Lin X., Zhou A. A review of mechanical properties of fibre reinforced concrete at elevated temperatures //Cement and Concrete Research. -2020. - Т. 135. - p. 106117.
14. Amin M. et al. Investigating the mechanical and microstructure properties of fibre-reinforced lightweight concrete under elevated temperatures // Case Studies in Construction Materials. - 2020. - Т. 13. - С. e00459.
References
1. Babkov V. V. i dr. Stroitel'nye materialy. 2014. №. 1-2. pp. 75-79.
2. Voylokov I. A. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2010. №. 9. pp. 58-58.
3. Gerber D.V. Uspekhi v khimii i khimicheskoy tekhnologii. Tom XXV №6 (122). Moskva. 2011. pp. 22-25.
4. Ibe E.E., Shugurova A.V. Vestnik Evraziyskoy nauki, 2017, №1. URL: naukovedenie.ru/PDF/61TVN117.pdf
5. Nazhuev M.P., Khalyushev A.K., Tkach P.S., Efimov I.I., Sanin I.S., Kurbanov N.S., Orlov M.G. Vestnik Evraziyskoy nauki, 2020, №2. URL: esj.today/PDF/45SAVN220.pdf
6. Pukharenko Yu. V. i dr. Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo. 2016. №.
1. pp. 107-111.
7. Pukharenko Yu. V. i dr. Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo. 2018. №.
2. pp. 143-147.
8. Talantova K.V. Polzunovskiy Vestnik №1. Barnaul. 2011. pp. 194-199.
9. Klyuev S. V. i dr. Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal. 2013. №. 3. pp. 7-14.
10. Golova T. A., Andreeva N. V., Zhukov A. D. Colloquium-journal. Golopristans'kiy mis'krayonniy tsentr zaynyatosti, 2019. №. 9 (33). pp. 14-16.
11. Kazlitina O.V. Fibrobeton dlya monolitnogo stroitel'stva [Fiber concrete for monolithic construction]. Belgorod: BGTU, 2013. 23p.
12. Das S. et al. Construction and Building Materials. 2020. №. 262. pp. 120561.
13. Wu H., Lin X., Zhou A. Cement and Concrete Research. 2020. №. 135. pp. 106117.
14. Amin M. et al. Case Studies in Construction Materials. 2020. №. 13. pp. e00459.
